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利用高通量表面張力儀探究三硅氧烷離子液體的吸附動(dòng)力學(xué)

來(lái)源:日用化學(xué)工業(yè) 瀏覽 4 次 發(fā)布時(shí)間:2026-04-13

2.2 短時(shí)吸附機(jī)理


當(dāng)溶液濃度小于臨界膠束濃度時(shí),溶液體相與次表面之間的傳質(zhì)過(guò)程可以采用 Word-Tordai方程描述:


Γ(t) = 2c?√(Defft/π) - 2√(Deff/π) ∫?? cs d(√(t-τ))


式中 Γ(t) 為不同時(shí)刻表面過(guò)剩量,c? 為溶液的體相濃度,Deff 為表面活性劑的有效擴(kuò)散系數(shù),cs 為次表面濃度,t為時(shí)間,τ 為虛擬變量。式中前一項(xiàng)表示分子從體相向次表面的遷移,后一項(xiàng)表示隨著次表面濃度的增加,當(dāng)次表面被分子全部占有時(shí),分子將從次表面擴(kuò)散回體相。然而式中后一項(xiàng)含有卷積積分,造成此方程不可解。


當(dāng)溶液濃度很小時(shí),γ(t) 接近于溶劑表面張力 γ?。在吸附的初始階段 t→0 時(shí),次表面濃度 cs 很小,此時(shí)沒(méi)有分子從次表面返回體相,因此式(1)中第二項(xiàng)被省略,式(1)簡(jiǎn)化為:


Γ(t) = 2c?√(Defft/π)


依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在吸附初始階段,γ(t)→γ?,有機(jī)硅離子液體水溶液可被看成稀溶液,因此,根據(jù) Henry方程可得到 Γ 與 γ(t) 之間的關(guān)系:


γ(t) - γ? = -nRTΓ


式中,當(dāng)表面活性劑為非離子型時(shí),n=1;當(dāng)為離子型時(shí),n=2。將式(2)和式(3)結(jié)合可得:


γ(t)t→0 = γ? - 2nRTc?√(Deff/π) t1?2


因此,在短時(shí)間內(nèi),γ(t) 與 t1?2 呈線性關(guān)系,將γ(t) 與 t1?2 在短時(shí)內(nèi)進(jìn)行線性擬合,所得斜率即為-2nRTc?√(Deff/π),從而可計(jì)算出 Deff。


圖3是溫度為25℃時(shí)不同濃度[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液的γ(t)隨t1?2的變化和利用公式(4)線性擬合的結(jié)果。

圖3 25℃時(shí)不同濃度有機(jī)硅離子液體水溶液的γ(t)與t1?2關(guān)系圖


從圖3可知,對(duì)于[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液,在濃度為0.1,0.2和0.5 mmol·L?1時(shí),γ(t)與t1?2均在吸附初始階段呈線性關(guān)系。在濃度為1,2和5 mmol·L?1 2種溶液的γ(t)與t1?2在吸附初始階段內(nèi)卻不能用式(4)進(jìn)行擬合。測(cè)定值顯示,1,2和5 mmol·L?1 [Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液在儀器初始測(cè)量時(shí)表面張力已經(jīng)小于65 mN·m?1,這表明此時(shí)吸附層中已經(jīng)含有一定量有機(jī)硅離子液體分子。公式(3)是在假設(shè)吸附層作為稀溶液的情況下才成立的。此時(shí)高濃度情況下致使式(3)出現(xiàn)偏差,從而導(dǎo)致式(4)也不再適用。根據(jù)之前的研究,1,2和5 mmol·L?1 [Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液不能用式(4)擬合的主要原因可能是溶液表面中已經(jīng)吸附的有機(jī)硅離子液體分子形成了雙電子層結(jié)構(gòu),該雙電子層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的表面電荷成為吸附勢(shì)壘,從而影響了動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程。


圖4為0.5 mmol·L?1 [Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液在不同溫度下的γ(t)隨t1?2的變化曲線。在圖3和圖4線性擬合的基礎(chǔ)上,通過(guò)式(4)計(jì)算所得[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液不同濃度下或不同溫度下吸附初始階段的Deff列于表1中。從表1可知,對(duì)于稀溶液,在溫度一定時(shí),隨著濃度的增加Deff變大,這是由于體相與次表面濃度差變大;在濃度一定時(shí),隨著溫度的增加Deff變大,這是因?yàn)闇囟鹊纳邔?dǎo)致分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇。

圖4 0.5 mmol·L?1有機(jī)硅離子液體水溶液在不同溫度下的γ(t)與t1?2關(guān)系圖

圖5 25℃時(shí)不同濃度有機(jī)硅離子液體水溶液的γ(t)與t?1?2關(guān)系圖


2.3 長(zhǎng)時(shí)吸附機(jī)理


隨著吸附時(shí)間的增加,當(dāng) t→∞ 時(shí),表面濃度逐漸趨近于體相濃度。假設(shè)此時(shí)擴(kuò)散模型仍為擴(kuò)散控制吸附機(jī)理,則:


Δct→∞ = c? - cs = ?!?π/(4Dt))


式中 D為 t→∞ 時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)。


另外,Gibbs方程為:


dγ = -nRTΓ d ln c


將式(6)兩邊同時(shí)進(jìn)行積分,并與式(5)結(jié)合可得:


γt→∞ = γeq + (nRTΓeq2 / c) √(π/(4Dt))


式中 Γeq 為平衡狀態(tài)下水溶液的表面過(guò)剩量。由式(7)可知,t→∞ 時(shí),γ(t) 與 t?1?2 呈線性關(guān)系,將γ(t) 與 t?1?2 在 t?1?2→0 時(shí)內(nèi)進(jìn)行線性擬合,所得斜率即為 (nRTΓeq2 / c) √(π/(4D)),從而可計(jì)算出 D。圖5和圖6為不同測(cè)定條件下[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液的γ(t) 隨 t?1?2 的變化。

圖6 0.5 mmol·L?1有機(jī)硅離子液體水溶液在不同溫度下的γ(t)與t?1?2關(guān)系圖


根據(jù)式(7)對(duì)圖5和圖6進(jìn)行線性擬合,計(jì)算所得不同測(cè)定條件下[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液長(zhǎng)時(shí)吸附時(shí)的D列于表1中。由表1數(shù)據(jù)可知,在溫度一定時(shí),隨著濃度的增加,D反而變小,這是因?yàn)榇藭r(shí)次表面與體相的濃度差較小,濃度的增大導(dǎo)致分子間的靜電排斥作用變大,因此分子的自由運(yùn)動(dòng)受到一定的限制。然而,當(dāng)濃度一定溫度變化時(shí),隨著溫度升高,D逐漸變大,同樣也是由于溫度的增加致使分子熱運(yùn)動(dòng)加劇。表1中還列出各體系水溶液的 Deff/D,其范圍是8~255,說(shuō)明兩階段的擴(kuò)散系數(shù)相差較大,所有體系在整個(gè)吸附過(guò)程中都屬于混合動(dòng)力控制吸附。


表1 不同測(cè)定條件下[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液的擴(kuò)散系數(shù)

體系 c?/(mmol·L?1) θ/℃ Deff/(m2·s?1) D/(m2·s?1) Deff/D
[Si(3)Py]Cl 0.1 25 5.00×10?1? 6.10×10?12 8.20
0.2 25 5.44×10?1? 2.65×10?12 20.53
0.5 25 6.90×10?11 2.98×10?13 231.54
0.5 35 9.08×10?11 7.16×10?13 126.82
0.5 45 1.16×10?1? 7.28×10?13 159.34
[Si(3)Mim]Cl 0.1 25 6.18×10?11 5.22×10?12 11.84
0.2 25 9.11×10?11 2.11×10?12 43.18
0.5 25 9.58×10?11 3.89×10?13 246.27
0.5 35 1.03×10?1? 4.06×10?13 253.69
0.5 45 1.08×10?1? 4.25×10?13 254.12


3 結(jié)論


1)[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液動(dòng)態(tài)表面張力均隨吸附時(shí)間的增加逐漸降低,直至恒定。在溫度一定的情況下,隨著濃度的增加,動(dòng)態(tài)表面張力變小。


2)對(duì)于稀溶液,溫度一定時(shí),在初始吸附階段Deff隨濃度增加而變大,而在長(zhǎng)時(shí)吸附階段D隨濃度增加卻變小。然而濃度一定時(shí),無(wú)論初始吸附階段還是長(zhǎng)時(shí)吸附階段,二者均隨溫度增加而變大。


3)對(duì)于[Si(3)Py]Cl和[Si(3)Mim]Cl水溶液,在整個(gè)吸附過(guò)程中都屬于混合動(dòng)力控制吸附。


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